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离子交换树脂简介 离子交换树脂发展历史离子交换树脂的概念离子交换树脂的分类离子交换树脂的应用 1 离子交换树脂发展历史 离子交换树脂是最早出现的功能高分子材料1935年英国Adams和Holmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的工作报告 开创了离子交换树脂领域 同时也开创了功能高分子领域 根据Adams和Holmes的发明 带有磺酸基和氨基的酚醛树脂很快就实现了工业化生产并在水的脱盐中得到了应用 1944年D Alelio合成了具有优良物理和化学性能的磺化苯乙烯 二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂 奠定了现代离子交换树脂的基础 此后 Dow化学公司的Bauman等人开发了苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业化 Rohm Hass公司的Kunin等人则进一步研制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂 这些离子交换树脂除应用于水的脱盐精制外 还用于药物提取纯化 稀土元素的分离纯化 蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等 1 离子交换树脂发展历史 20世纪50年代末 国内外诸多单位几乎同时合成出大孔型离子交换树脂 与凝胶型离子交换树脂相比 大孔型离子交换树脂具有机械强度高 交换速度快和抗有机污染的优点 因此很快得到广泛的应用 60年代后期 离子交换树脂除了在品种和性能等方面得到了进一步的发展 更为突出的是应用得到迅速的发展 除了传统的水的脱盐 软化外 在分离 纯化 脱色 催化等方面得到广泛的应用 从离子交换树脂出发 还引申发展了一些很重要的功能高分子材料 如离子交换纤维 吸附树脂 螯合树脂 聚合物固载催化剂 高分子试剂 固定化酶等 这一最传统的功能高分子材料正以崭新的姿态在21世纪发挥重要的作用 2 离子交换树脂的概念 2 1离子交换树脂的定义离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子材料 其外形一般为颗粒状 不溶于水和一般的酸 碱 也不溶于普通的有机溶剂 如乙醇 丙酮和烃类溶剂 常见的离子交换树脂的粒径为0 3 1 2nm 2 离子交换树脂的概念 2 2离子交换树脂的结构如右图所示 离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状高分子 材料树脂由三部分组成 三维空间结构的网络骨架骨架上连接的可离子化的功能基团功能基团上吸附的可交换的离子 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图 2 离子交换树脂的概念 2 3离子交换的原理离子交换过程是被分离组分 即被提取 被纯化的离子或分子 在水溶液与固体交换剂之间发生的一种化学计量分配过程 该过程遵循固一液非均相扩散传质的普遍规律而又不同于传统分离过程 当与溶液接触时 离子交换剂会与溶液中的特定离子进行交换 即离子交换树脂上的可交换离子 阳离子或阴离子 被溶液中带同种电荷的特定离子取代 而不溶性固体骨架在这一交换过程中不发生任何化学变化 该过程一般可以用方程式表达为 R B A R A B R代表树脂中除可交换离子以外的其它部分 即惰性骨架与圆定基团 B为可交换离子 A 为待分离组分 离子交换原理示意图 3 离子交换树脂的分类 3 1按交换基团的性质分类 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 强酸型例 R SO3H 中酸型例 R PO OH 2 弱酸型例 R COOH 强碱型例 R3 NCl 弱碱型例 R NH2 R NR H R NR 2 3 离子交换树脂的分类 阳离子交换树脂大都含有磺酸基 SO3H 羧基 COOH 或苯酚基 C6H4OH 等酸性基团 其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换 例如 苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂 其结构式可简单表示为R SO3H 式中R代表树脂母体 其交换原理为 2R SO3H Ca2 R SO3 2Ca 2H 阴离子交换树脂含有季胺基 N CH3 3OH 胺基 NH2 或亚胺基 NH2 等碱性基团 它们在水中能生成OH 离子 可与各种阴离子起交换作用 其交换原理为 R N CH3 3OH Cl RN CH3 3Cl OH 硬水软化的原理 3 离子交换树脂的分类 3 2按树脂的物理结构分类 不同物理结构离子交换树脂的模型 凝胶型 大孔型 载体型 3 离子交换树脂的分类 凝胶型离子交换树脂 外观透明 具有均相高分子凝胶结构 在水中会溶胀成凝胶状 并呈现大分子链的间隙孔 可供无机小分子自由地通过离子 这类离子交换树脂在干燥条件下或油类中 分子链紧缩 无机小分子无法通过 将丧失离子交换功能 大孔型离子交换树脂 外观不透明 表面粗糙 为非均相凝胶结构 即使在干燥状态 内部也存在不同尺寸的毛细孔 因此可在非水体系中起离子交换和吸附作用 比表面积大 因此其吸附功能十分显著 载体型离子交换树脂 一种特殊用途树脂 主要用作液相色谱的固定相 一般是将离子交换树脂包覆在硅胶或玻璃珠等表面上制成 它可经受液相色谱中流动介质的高压 又具有离子交换功能 3 离子交换树脂的分类 3 3按基体的种类分类 苯乙烯树脂 丙烯酸树脂 4 离子交换树脂的应用 4 1水处理水处理包括水质的软化 水的脱盐和高纯水的制备等 水处理是离子交换树脂最基本的用途之一 4 离子交换树脂的应用 4 2冶金工业离子交换是冶金工业的重要单元操作之一 在铀 钍等超铀元素 稀土金属 重金属 轻金属 贵金属和过渡金属的分离 提纯和回收方面均起着十分重要的作用 离子交换树脂还可用于选矿 在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆中水的离子组成 使浮选剂更有利于吸附所需要的金属 提高浮选剂的选性和选矿效率 4 3海洋资源利用利用离子交换树脂 可从许多海洋生物 例如海带 中提取碘 溴 镁等重要化工原料 在海洋航行和海岛上 用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的 4 离子交换树脂的应用 4 4化学工业离子交换树脂在化学实验 化工生产上已经和蒸馏 结晶 萃取和过滤一样 成为重要的单元操作 普遍用于多种无机 有机化合物的分离 提纯 浓缩和回收等 4 5食品工业离子交换树脂在制糖 酿酒 烟草 乳品 饮料 调味品等食品加工中都有广泛的应用 在酒类生产中 利用离子交换树脂改进水质 进行酒的脱色 去浑 去除酒中的酒石酸 水杨酸等杂质 提高酒的质量 酒类经过离子交换树脂的去铜 锰 铁等离子 可以增加贮存稳定性 4 离子交换树脂的应用 5 7医药卫生离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用 如在药物生产中用于药剂的脱盐 吸附分离 提纯 脱色 中和及中草药有效成分的提取等 离子交换树脂本身可作为药剂内服 具有解毒 缓泻 去酸等功效 可用于治疗胃溃疡 促进食欲 去除肠道放射物质等 对于外敷药剂 用离子交换树脂粉末可配制软膏 粉剂及婴儿护肤用品 用以吸除伤口毒物和作为解毒药剂 将各种药物吸附在离子交换树脂上 可有效地控制药物释放速率 延长药效 减少服药次数 利用离子交换树脂吸水后体积迅速膨胀的特点 将其与药剂混合制成药片 服后可迅速胀大崩解 更快更好地发挥药物的作用 离子交换树脂还是医疗诊断 药物分析检定的重要药剂 如血液成分分析 胃液检定 药物成分分析等 具有检测速度快 干扰少等优点 5 离子交换树脂的应用 5 8环境保护离子交换树脂在废水 废气的浓缩 处理 分离 回收及分析检测上都有重要应用 已普遍用于电镀废水 造纸废水 矿冶废水 生活污水 影片洗印废水 工业废气等的治理 例如影片洗印废水中的银是以Ag SO3 23 等阴离